熔體處理和晶粒細(xì)化一直是高性能Mg-RE-Zr合金鑄件生產(chǎn)的重要工藝環(huán)節(jié)。盡管Zr能顯著細(xì)化合金晶粒,但是目前有關(guān)Mg-RE-Zr合金的晶粒細(xì)化影響因素及衰退機(jī)理尚不完全清晰;同時(shí)缺少晶粒尺寸對(duì)Mg-RE-Zr疲勞性能、高溫力學(xué)性能及蠕變性能影響的定量數(shù)據(jù),在一定程度上制約了高強(qiáng)耐熱鎂合金在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文以Mg-Nd-Zn-Zr合金為對(duì)象,分析了晶粒細(xì)化的影響因素和熔體保溫過程中溶解Zr與不溶解Zr的變化規(guī)律,揭示了含Zr鎂合金晶粒細(xì)化衰退的本質(zhì);研究了晶粒尺寸對(duì)Mg-Nd-Zn-Zr合金室溫疲勞性能的影響,分析了疲勞壽命及裂紋擴(kuò)展過程;分析了晶粒尺寸對(duì)Mg-Nd-Zn-Zr合金高溫力學(xué)及蠕變性能的影響,確定了滿足力學(xué)性能要求的臨界晶粒尺寸;研發(fā)了一種替代SF6的保護(hù)氣體并分析其阻燃機(jī)理。最后以某復(fù)雜鑄件為驗(yàn)證對(duì)象,進(jìn)行鑄件的工藝方案的優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上實(shí)際澆注和驗(yàn)證了新型熔體處理工藝及保護(hù)氣體的使用效果。這一工作顯然對(duì)于提高我國(guó)國(guó)防鎂合金鑄造技術(shù)水平具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Mg-Nd-Zn-Zr合金的熔體處理工藝研究表明:無(wú)攪拌條件下,即使較多Zr的加入也無(wú)法使Zr溶解,合金晶粒仍為為粗大的柱狀晶,平均晶粒尺寸為2400?m;攪拌10分鐘后溶解Zr含量迅速增加到0.68wt%,合金晶粒尺寸顯著降低至62?m,晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶,攪拌工藝對(duì)Zr的溶解和晶粒細(xì)化作用顯著;而在730-830℃范圍內(nèi),熔體處理溫度對(duì)Zr溶解的影響不大。隨著溶解Zr含量的增加,晶粒形貌由柱狀晶向等軸晶演變,其轉(zhuǎn)變時(shí)的溶解Zr臨界含量為0.12wt%;確定了溶解Zr與晶粒生長(zhǎng)限制因子之間的關(guān)系。溶解Zr含量低于0.54wt%時(shí),沒有富Zr環(huán)的形成,隨著溶解Zr的進(jìn)一步增加,依次形成單層富、雙層甚至多層結(jié)構(gòu)的富Zr環(huán)。等溫保溫過程中溶解Zr含量的變化不大,而總Zr量隨保溫時(shí)間的增加而降低,晶粒尺寸同時(shí)增加,出現(xiàn)晶粒細(xì)化衰退現(xiàn)象;晶粒細(xì)化衰退的本質(zhì)是不溶解Zr顆粒的沉積;Zr的加入量及不溶解Zr含量對(duì)晶粒細(xì)化的影響較大,當(dāng)Zr加入量為3.2wt%時(shí),不溶解Zr對(duì)晶粒的細(xì)化作用高達(dá)60wt%,此時(shí),不溶解Zr對(duì)晶粒細(xì)化起主導(dǎo)作用。晶粒尺寸對(duì)Mg-Nd-Zn-Zr合金疲勞性能的研究結(jié)果表明:合金疲勞壽命跨度變化較大,離散度隨晶粒細(xì)化而減小。晶粒細(xì)化提高了Mg-Nd-Zn-Zr合金的疲勞強(qiáng)度,晶粒尺寸由596?m降低到94?m,疲勞強(qiáng)度由60MPa增加到70MPa。晶粒尺寸粗大的Mg-Nd-Zn-Zr合金,90MPa和80MPa載荷下m分別為0.93和0.91,威布爾分布的密度函數(shù)為指數(shù)分布,而細(xì)晶合金90MPa下m=1.05,為近指數(shù)分布。當(dāng)晶粒尺寸由94?m增加到596?m時(shí),裂紋擴(kuò)展門檻值Kth由1.74MPam1/2提高到3.23MPam1/2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果高于理論計(jì)算值;在相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子條件下,細(xì)晶合金的裂紋擴(kuò)展速率高于粗晶合金,在裂紋擴(kuò)展初期晶粒尺寸的影響更為明顯;提高加載頻率,加速了裂紋的擴(kuò)展速率。對(duì)于粗晶合金,疲勞裂紋擴(kuò)展速率對(duì)頻率的敏感度降低,其裂紋擴(kuò)展曲折,而細(xì)晶裂紋擴(kuò)展相對(duì)平坦。無(wú)論是粗晶還是細(xì)晶合金,裂紋均以穿晶方式擴(kuò)展為主,伴有少量的沿晶擴(kuò)展,在擴(kuò)展過程中,裂紋出現(xiàn)分枝。粗晶合金裂紋尖端有明顯的滑移帶產(chǎn)生。系統(tǒng)研究了250℃下晶粒尺寸對(duì)Mg-Nd-Zn-Zr合金力學(xué)性能和蠕變性能的影響。Mg-Nd-Zn-Zr合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率均隨晶粒尺寸的降低而增加,晶粒尺寸在102-920?m范圍內(nèi),Mg-Nd-Zn-Zr合金在250℃下抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足Hall-Petch關(guān)系,延伸率則隨晶粒尺寸的降低呈線性增加;250℃下晶粒尺寸對(duì)Mg-Nd-Zn-Zr合金抗蠕變性能有明顯影響,晶粒尺寸的增加提高了抗蠕變性能。在所研究晶粒尺寸范圍內(nèi),蠕變機(jī)制為位錯(cuò)滑移和攀移機(jī)制,晶粒尺寸影響指數(shù)與應(yīng)力呈線性關(guān)系。結(jié)合晶粒尺寸對(duì)高溫力學(xué)性能與蠕變性能的研究結(jié)果,確定了滿足合金設(shè)計(jì)要求的臨界晶粒尺寸為174?m。針對(duì)鎂合金熔煉熔劑保護(hù)易產(chǎn)生熔劑夾雜問題,研究了SO2/CO2混合保護(hù)氣體下表面保護(hù)層的結(jié)構(gòu),分析了Mg-Nd-Zn-Zr合金氣體保護(hù)的阻燃機(jī)理,表明SO2/CO2混合保護(hù)氣體在710~800℃溫度下對(duì)Mg-Nd-Zn-Zr合金熔體具有良好的保護(hù)效果。最后,數(shù)值模擬分析了典型Mg-Nd-Zn-Zr合金鑄件的充型過程,優(yōu)化確定了鑄造工藝參數(shù)。通過澆鑄典型鑄件,驗(yàn)證了新熔體處理和晶粒細(xì)化工藝以及SO2/CO2混合保護(hù)氣體的保護(hù)性。所澆鑄的鑄件表面質(zhì)量、內(nèi)部冶金質(zhì)量及力學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG146.22
【部分圖文】：

圖 1-1 富 Zr 環(huán)結(jié)構(gòu)照片[39]Fig.1-1 BSE images zirconium-rich cores[39]圖 1-2 Zn 含量對(duì)溶解 Zr 的影響[42]Fig.1-2 Soluble Zr content as function of Zn content[42]

- 5 -圖 1-2 Zn 含量對(duì)溶解 Zr 的影響[42]Fig.1-2 Soluble Zr content as function of Zn content[42] Zr 環(huán)類型多樣，有些 Zr 顆粒沒有富 Zr 環(huán)，即使在 Zr 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)時(shí)也有富 Zr 環(huán)出現(xiàn)，這些現(xiàn)象表明富 Zr 環(huán)的形成并不完全取決很可能存在其它的凝固方式。上述試驗(yàn)現(xiàn)象無(wú)法用包晶反應(yīng)機(jī)理 Zr 鎂合金的凝固過程中可能存在其它的晶粒細(xì)化機(jī)理。雖然 Z用比其他元素都明顯，但是只能用于純 Mg，Mg-RE 合金及 M

圖 1-3 晶粒中的富 Zr 環(huán)照片[37]Fig.1-3 A BSE image of zirconium-rich cores in the grain[37]r 加入量相同的情況下，顆粒尺寸及合金化條件的不同對(duì)大[30, 34, 43]。Wang[44]等人采用摩擦攪拌工藝對(duì) Mg-Zr 中間 Zr 顆粒變得細(xì)小均勻，顯著提高了晶粒細(xì)化效果。 Zr 的晶粒細(xì)化機(jī)理人們已做了大量工作，目前認(rèn)為雖然溶決定作用，但是未溶解 Zr 和純 Zr 顆粒對(duì)晶粒細(xì)化亦有一晶粒細(xì)化同時(shí)依靠溶解的和未溶解的 Zr。富 Zr 環(huán)是含 Z，必須全面認(rèn)識(shí)富 Zr 環(huán)的形成機(jī)理及其影響因素，這些r 量、未溶解 Zr 顆粒的作用、溶液中細(xì)小 Zr 顆粒的析出卻速度等。雖然 Mg-RE 合金工業(yè)生產(chǎn)均采用 Zr 晶粒細(xì)化金的凝固過程非常復(fù)雜，Zr 晶粒細(xì)化機(jī)理尚不完全清楚只能解釋一些現(xiàn)象。全面理解含 Zr 鎂合金的晶粒細(xì)化機(jī)發(fā) Mg-RE-Zr 合金熔體處理新工藝極其重要。 Zr 鎂合金晶粒細(xì)化衰退機(jī)理必須重視的現(xiàn)象是含 Zr 鎂合金重新熔化時(shí)溶解的 Zr 降低

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本文編號(hào)：2816519